Untersuchungen zur Anhaftung und Ausbreitung von Zellen auf Siliciumnitrid

Forschung aktuell

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REM-Bild (ohne Zellen) und Fluoreszenz-Laserscan von osteoblastären Zellen auf geläpptem Si3N4.
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REM-Bild (ohne Zellen) und Fluoreszenz-Laserscan von osteoblastären Zellen auf sandgestrahltem Si3N4.
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Zelladhäsion (a) und -ausbreitung (b) von Osteoblasten (24).

Siliciumnitrid (Si3N4) ist durch seine einzigartige Kombination von Werkstoffeigenschaften ein ideales Implantatmaterial. Es ist chemisch beständig, zeigt eine hohe Steifigkeit, Härte, Biegefestigkeit sowie Zähigkeit und ist höchst verschleißfest. Neuste Forschungen zeigen zudem, dass Si3N4 nicht nur biokompatibel ist, sondern auch antimikrobielle Eigenschaften aufweist. Mit der gezielten Gestaltung der Oberflächentopografie können Zelladhäsion und Osteokonduktivität wesentlich beeinflusst werden. Am Fraunhofer IKTS werden biokompatible Si3N4-Werkstoffe hergestellt und deren Oberfläche gezielt modifiziert.

Einfluss der Oberfläche auf Anhaftung und Ausbreitung von Osteoblasten

Am Beispiel zweier Bearbeitungsverfahren, Läppen und Sandstrahlen, wird der Einfluss der Oberflächenstruktur auf das osteoblastäre Zellverhalten (Zelllinie MG63) aufgezeigt. Die mittlere Rauheit Ra liegt für die geläppte und sandgestrahlte Oberfläche bei 0,03 bzw. 1,3 µm. Auch in der Benetzbarkeit der Oberflächen zeigen sich Unterschiede (Kontaktwinkel geläppte Oberfläche 41°, mit Sandstraheln bearbeitet: 54°). Biologische Untersuchungen hinsichtlich Zelladhäsion und Zellausbreitung zeigen eine geringere Ausbreitung der einzelnen Zellen nach 24 Stunden Kultivierung auf der raueren, weniger hydrophilen Oberfläche (sandgestrahlt, Bild 2) im Vergleich zur glatteren, hydrophileren Oberfläche (geläppt, Bild 1). Die Menge der adhärierten Zellen ist nach 24 Stunden durch die Probentopografie nicht beeinflusst. Weitere Untersuchungen zur Prüfung des positiven Einflusses der verönderten Zellausbreitung auf die Funktionalität der Osteoblasten schließen sich inhaltlich an.

Oberflächenstrukturierung und -optimierung

Neben dem Sandstrahlen gibt es weitere Strukturierungsverfahren, mit denen die Zellausbreitung erheblich beeinflusst werden kann. Hier ist zum Beispiel die Laserstrukturierung denkbar. Zudem kann mit thermischen Verfahren in inerter oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre die Chemie und damit die Hydrophilie der Si3N4-Oberfläche gezielt angepasst werden, um ggf. die Oberfläche für die biologische Nutzung weiter zu optimieren.


Leistungs- und Kooperationsangebot
 

  • Forschung und Entwicklung zu Siliciumnitridwerkstoffen und Eigenschaftsoptimierung
  • Osteo-/immunologische Zellanalytik auf modifizierten Oberflächen/Biomaterialien